DE3426645A1

DE3426645A1 - Temperaturkompensierter oszillator

Info

Publication number: DE3426645A1
Application number: DE19843426645
Authority: DE
Inventors: Yoshimitsu Sayama Saitama Fujimori; Yoshinori Hanno Saitama Narita; Kiyoshi Koganei Tokio/Tokyo Yamashita
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 1983-07-20
Filing date: 1984-07-19
Publication date: 1985-02-07
Also published as: JPS6024704A; GB2147167A; GB8418087D0; FR2549656B1; FR2549656A1

Description

Nihon Dempa Kogyo Co. Ltd. Unser Zeichen; 21-2, 1-chome, Nishihara M/SÜS-18-DE Shibuya-ku
Tokyo / Japan

Temperaturkompensierter Oszillator

BESCHREIBUNG : 25

Die Erfindung bezieht sich auf einen temperaturkompensierten Oszillator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und insbesondere auf einen hochstabilen, temperaturkompensierten Quarzoszillator, bei dem Frequenzänderungen aufgrund von Temperaturänderungen ^ÖW des Oszillators kompensiert werden.

Allgemein ändert sich die Frequenz eines Resonanzelementes, wie z.B. eines Quarzresonators in Abhängigkeit von dessen Temperatur. Dies wird als Frequenz/Temperatur- Charakteristik bezeichnet. Ein temperaturkompen-

sierter Oszillator dagegen eliminiert Frequenzänderungen nach einer Frequenz/Temperatur- Charakteristik, die sonst aufgrund von Temperaturänderungen desselben auftreten .
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Figur 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines herkömmlichen temperaturkompensierten Oszillators. In dem Schaltbild der Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen temperatürabhängigen Quarzresonator (AT-Cut-Quartz)/ dessen Frequenz/Temperatur- Charakteristik beispielsweise der kubischen Kurve gemäß Figur 2 verläuft. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Schwingkreis für den oszillierenden Quarzresonator. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine variable Kapazitätdiode, die in Reihe mit dem Quarzresonator 1 liegt. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Temperaturkompensations-Schaltkreis, der eine Kompensationsspannung erzeugt, die die Oszillationsfrequenzänderung des Quarzresonators entsprechend einer Frequenz/Temperatur- Charakteristik kompensiert. Die Kompensationsspannung an dem Temperaturkompensations-Schaltkreis 4 wird über einen Widerstand 5 der variablen Kapazitätsdiode 3 zugeführt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kompensationsspannung dazu dient, eine Änderung der Schwingfrequenz zu kompensieren, die aufgrund der Temperatur des Quarzoszillators aufgetreten ist. Die Frequenz/Temperatur- Charakteristik des Quarzresonators 1 hat einen kubischen Verlauf mit Extremwerten XY, die beispielhaft in Figur 2 dargestellt sind. Es werden komplexe Schaltkreisanordnungen benötigt, um die Frequenz/ Temperatur- Charakteristik flach verlaufen zu lassen.

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Temperaturkompensations-Schaltkreises zum Kompensieren einer Frequenz/Temperatur- Charakteristik mit kubischem Verlauf. Eine Eingangsspannung Vi zwischen Energiever-

sorgungsanschlüssen 6 und 7 wird einerReihenschaltung aus einem ersten und zweiten temperaturempfindlichen Element 8 und 9 zugeführt, deren Widerstandswerte sich in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur verändern. Ein drittes temperaturempfindliches Element 10 liegt parallel zu dem zweiten temperaturempfindlichen Element 9 und besitzt Ausgangsanschlüsse 11 und 12, an denen eine Kompensationsspannung Vo erscheint. Diese Kompensationsspannung wird der Kapazitätsdiode 3 (mit variabler Kapazität) der Figur 1 zugeführt.

Die Kapazitätsdiode 3 ändert ihre Kapazität entsprechend der Spannung an den Ausgangsanschlüssen 11 und 12. Die Kapazität der Kapazitätsdiode verringert sich mit einem Anstieg des an sie angelegten Spannungspegels; folglich wird die Oszillationsfrequenz in Richtung zu höheren Frequenzen verschoben. Wird andererseits die angelegte Spannung verringert, so vergrößert sich die Kapazität der Kapazitätsdiode 3 und folglich wird die Oszillationsfrequenz in Richtung zu niedrigeren Frequenzen verschoben.

Figur 4 zeigt ein detaillierteres Schaltbild der temperaturempfindlichen Elemente 8, 9 und 10 der Figur 3. Das erste temperaturempfindliche Element 8 besteht aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes 15 mit einer Parallelschaltung eines Widerstandes 13 und eines Thermistors 14. Das zweite temperaturempfindliche Element 9 besteht aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes 16 und eines Thermistors 17; das dritte temperaturempfindliehe Element 10 besteht aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes 18 und eines Thermistors 19.

Das erste temperaturempfindliche Element 8 bewirkt, daß sich die Kompensationsspannung Vo im wesentlichen über einen Bereich von dem Extremwert X zu dem Extrem-

wert Y verändert, entsprechend einem mittleren Bereich der Kurve der Frequenz/Temperatur- Charakteristik. Entsprechend bewirkt das zweite temperaturempfindliche Element 9, daß sich die Kompensationsspannung Vo im wesentliehen in einem Bereich unterhalb des Extremwertes X verändert; das dritte temperaturempfindliche Element 10 bewirkt, daß sich die Kompensationsspannung Vo im wesentlichen in einem Bereich oberhalb des Extremwertes Y verändert. Auf diese Weise wird die Frequenzänderung kompensiert.

Von den Ausgangsanschlüssen 11 und 12 gesehen bewirkt das erste temperatürempfindliche Element 8, das in Reihe zwischen dem Energieversorgungsanschluß 6 und dem Ausgangsanschluß 11 liegt, daß sich die Kompensations— spannung Vo vergrößert, wenn die Temperatur des Elementes 8 ansteigt. Dies entspricht der negativen Frequenzänderungsrate zwischen den Extremwerten X und Y des Quarzresonators. Entsprechend bewirken das zweite und das dritte temperaturempfindliche Element 9 und 10, die parallel zwischen den Ausgangsanschlüssen 11 und 12 liegen, daß die Kompensationspannung Vo abnimmt, wenn ihre Temperatur ansteigt. Dies entspricht der negativen Änderungsrate der Frequenz über die beiden Temperaturbereiche, von denen einer kleiner ist als der Extremwert X und der andere größer als der Extremwert Y.

Die Änderung des Widerstandswertes des temperaturempfindlichen Elementes 8 wird im Mittelbereich zwischen den Extremwerten X und Y der Frequenz/Temperatur- Charakteristik dominant , während Änderungen des Widerstandswertes des zweiten temperaturempfindlichen Elementes 9 im Bereich unterhalb des Extremwertes X dominant werden.

Im mittleren Temperaturbereich zwischen den Extremwerten X und Y in Figur 3 ist der Widerstandswert R (3) des dritten temperaturempfindlichen Elementes 10 so festgelegt, daß er sehr viel größer ist als der Widerstandswert R (2) des zweiten temperaturempfindlichen Elementes 9. Mit anderen Worten, gilt in diesem Bereich die Bedingung R (3) SS> R (2). In Figur 4 ist der Widerstandswert r (16) des Widerstandes 16 so gewählt, daß er sehr viel größer ist als der Widerstandswert TH (17) des Thermistors 17, d.h. r (16)^> TH (17). Folglich wird im mittleren Temperaturbereich eine Änderung des ersten temperaturempfindlichen Elementes 8 dominant für die Kompensationsspannung Vo.

Im Temperaturbereich unterhalb des Extremwertes X ist der Widerstandswert R (3) des dritten temperaturempfindlichen Elementes 10 der Figur 3 so gewählt, daß er sehr viel größer ist als der Widerstandswert R (2) des zweiten temperaturempfindlichen Elementes 9, d.h. er ist so gesetzt, daß die Bedingung R (3) >> R (2) erfüllt ist. in Figur 4 ist der Widerstandswert r (13) des Widerstandes 13 so gewählt, daß er sehr viel kleiner ist als der Widerstandswert TH (14) des Thermistors 14, d.h. er ist so festgelegt, daß die Bedingung r (13) <<- TH (14) erfüllt ist. Folglich ist im unteren Temperaturbereich eine Änderung des zweiten temperaturempfindlichen Elementes 9 hinsichtlich der Kompensationsspannung Vo dominant.

Selbst wenn ein Widerstandswert r (16) des Widerstandes 16 so gewählt ist, daß er sehr viel größer ist als der Widerstandswert TH (17) des Thermistors 17 (d.h. r (16) ;^N> TH (17)), um zu bewirken, daß die Temperaturkompensation über dem Temperaturbereich oberhalb des Extremwertes Y durchgeführt wird, so wäre es schwierig, die Beziehung r (16)^ R (3) zu erfüllen. Die Änderungsrate der Wider-

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stände über der Temperatur des dritten temperaturempfindlichen Elementes 10 wird derart stark durch den Widerstand 16 bestimmt, daß die Änderungsrate des Widerstandswertes hinsichtlich der Temperaturänderung des dritten temperaturempfindlichen Elementes 10 abnimmt. Hieraus folgt, daß eine gewünschte Charakteristik der Temperaturkompensationsspannung, die im oberen Temperaturbereich, d.h. oberhalb des Extremwertes Y erhalten werden soll, sehr stark durch das zweite temperaturempfindliche EIement 9 beeinflußt wird. Das dritte temperaturempfindliche Element 10, das dazu dient, die Kompensationsspannung Vo mit dem Anstieg der Temperatur (des Elementes 10) zu verringern, wird durch das erste temperaturempfindliche Element 8 beeinflußt, welches so wirkt, daß es die Kompensationsspannung Vo vergrößert. Um die Temperaturkompensation im Bereich dberhalb des Extremwertes Y zu beeinflußen, ist es daher nötig, den Widerstand/ Temperatur- Koeffizienten (üblicherweise als B konstant bezeichnet) des Thermistors 19 wesentlich größer zu machen als den der Thermistoren 14 und 17.

Der herkömmliche Temperaturkompensations-Schaltkreis der Figur 4 kann eine erwünschte Kompensationsspannung Vo für eine kubische Kurve dann durchführen, wenn die Parameter und Werte der Thermistoren 14, 17 und 19 und der Widerstände 15, 13, 16 und 18 der ersten, zweiten und dritten temperaturempfindlichen Elemente 8, 9 und 10 sehr sorgfältig ausgewählt werden. Da die temperaturempfindlichen Elemente 8, 9 und 10 unter dem Mangel leiden, daß sie sich gegenseitig beeinflussen, sind die Widerstandswerte und die Widerstands/Temperatur- Koeffizienten der entsprechenden Thermistoren 14, 17 und 19 eingeschränkt, wenn man die gewünschte Kompensationsspannung Vo erreichen will. Es ist daher nahezu unmöglich, eine gewünschte Charakteristik der Kompensationsspannung zu er-

ίο

halten, insbesondere über den Hochtemperaturbereich. Als temperaturempflndliehe Widerstände können nicht nur Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizenten verwendet werden, sondern auch temperaturempfindliche Halbleiterwiderstände mit positivem Temperaturkoeffizenten. Letztere Elemente altern jedoch in unerwünschter Weise.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen temperaturkompensierten Oszillator zu schaffen, der in einfacher Weise eine Temperaturkompensation eines Qaurzoszillators durchführen kann, welcher einen Quarzresonator mit einer Frequenz/Temperatur- Charakteristik entsprechend einer kubischen Kurve aufweist und eine gewünschte Temperaturkompensationscharakteristik über einen Bereich durchführen kann, der höher ist als ein Extremwert, insbesondere auf der Hochtemperaturseite der kubischen Kurve. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Mit der Erfindung wird somit ein temperaturkompensierter Oszillator geschaffen, der präzise und einfach eine gewünschte Temperaturkompensationscharakteristik einer kubischen Kurve über einen Temperaturbereich durchführen kann, insbesondere einen Hochtemperaturbereich eines Quarzresonators. Nach der Erfindung wird ein temperaturkompensierter Oszillator geschaffen, der Energieversorgungsanschlüsse aufweist, die zum Empfang einer Gleichspannung verschaltet sind; erste und zweite temperaturempfindliche Elemente, die in Reihe zwischen den Energieversorgungsanschlüssen liegen; eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem dritten temperaturempfindlichen Element, das parallel zu dem zweiten temperaturempfindlichen Element geschaltet ist; eine Kapazitätsdiode mit variabler Kapazität, die in Reihe zu einem Quarzresonator liegt, um eine Spannung an dem dritten temperaturempfindlichen Element als Kompensationsspannung anzulegen; und ein Oszillator-Schalt-

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kreis, der aus einem Quarzresonator und einer Kapazitätsdiode mit variabler Kapazität besteht.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlich erläutert.

Figur 1 Ein schematisches Blockschaltbild mit einer Ausführungsform eines temperaturkompensierten Oszillators;

Figur 2 ein Diagramm eines Beispieles einer Temperatur/ Frequenz- Charakteristik eines Qaarzresonators;

Figur 3 ein Blockschaltbild einer Ausfuhrungsform eines herkömmlichen Temperaturkompensations-Schaltkreises;

Figur 4 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen temperaturkompensierten Oszillators mit Einzel

heiten von temperaturempfindlichen Elementen des Teraperaturkompensations-Schaltkreises der Figur 3;

Figur 5 ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Oszillators nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 6 ein Diagramm zur Darstellung der Änderung der Kompensationsspannung des Oszillators der

Figur 5; und

Figur 7 ein Diagramm der linderungscharakteristik einer Kompensationsspannung in Abhängigkeit der Temperatur des temperaturkompensierten Oszillators

der Figur 5.

Nachfolgend wird temperaturkompensierter Oszillator nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Oszillators nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Figur 5 bezeichnen die Bezugszeichen 20 und 21 Energieversorgungsanschlüsse, an die eine stabilisierte Gleichspannung Ve aus einer (nicht dargestellten) Energiequelle angelegt wird. Zwischen den Energieversorgungsanschlüssen 20 und 21 liegt eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten temperaturempfindlichen Element 22 und 23, deren Widerstandswerte sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändern. Das erste temperaturempfindliche Element 22 fühlt die Temperatur im wesentlichen im mittleren Bereich der Temperatur-Charakteristik einer kubischen Kurve, während das zweite temperaturempfindliche Element 23 die Temperatur im wesentlichen in dem Niedertemperaturbereich dieser Kurve fühlt.

Parallel zu dem zweiten temperaturempfindlichen Element 23 liegt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 24 und einem dritten temperaturempfindlichen Element 25, welches die Temperatur im wesentlichen im Hochtemperaturbereich der obigen Kurve erfaßt. Eine Spannung an dem dritten temperaturempfindlichen Element 25 wird über Ausgangsanschlüsse 26 und 27 als Kompensationsspannung abgegeben. Diese Kompensationsspannung Vo wird über einen Widerstand 28 an eine Kapazitätsdiode 29 mit variabler Kapazität angelegt, um die elektrostatische Kapazitat der Diode 29 zu steuern. Die Kapazitätsdiode 29 liegt in Reihe mit einem Quarzresonator 30, der seinerseits in Reihe mit einem Oszillations-Schaltkreis 31 liegt.

Ein Temperaturkompensations-Schaltkreis, wie er durch die gestrichelten Linien in Figur 5 eingegrenzt ist, enthält

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einen Widerstand 24 sowie erste, zweite und dritte temperaturempfindliche Elemente 22, 23 und 25. In Figur 5 sind die ersten, zweiten und dritten temperaturempfindlichen Elemente 22, 23 und 25 ähnlich angeordnet und haben eine ähnliche Wirkungsweise wie die entsprechenden Elemente der Figur 4. Bei dem Temperaturkompensations-Schaltkreis der Figur 5 liegt der Widerstand 24 zwischen dem zweiten und dem dritten temperaturempfindlichen Element 23 und 25. Wird mit r (24) der Widerstandswert des Wider-Standes 24 bezeichnet, so wird die Kompensationsspannung Vo in Figur 5 durch folgende Gleichung beschrieben:

Vo = Vi

R(D .R(2)+R(2) .R(3)+R(3) .R(T)+r(24J-UT(D+R(2)i

ι Δ ι

wobei die Widerstandswerte der ersten, zweiten und dritten temperaturempfindlichen Elemente mit R(1) R(2) bzw. R(3) bezeichnet sind. Die Kompensationsspannung Vo eines herkömmlichen Temperaturkompensations-Schaltkreises, wie

er beispielsweise in Figur 3 dargestellt ist, wird dagegen durch folgende Beziehung beschrieben:

R(2).R(3)

.R(2)+R(2) .R(3)+R(3) .R(D

(B)

Ein Vergleich der obigen Formeln ergibt, daß sich Gleichung (A) von Gleichung (B) darin unterscheidet, daß der Ausdruck r(24) {r(1) + R(2)3 im Nenner der Gleichung (A) hinzugefügt ist. Ist{R (1) +(2)1 ^ 1 über den gewünsch-

^ou ten Bereich, so ist die Kompensationsspannung Vo in Gleichung (A) kleiner als die Kompensationsspannung Vo in Gleichung (B) über dem gewünschten Temperaturbereich. Die ersten, zweiten und dritten temperaturempfindlichen Elemente 22, 23 und 25 haben negative Widerstands/Tem-

^ peratur- Charakteristiken. Mit ansteigender Temperatur

wird der Einfluß des Ausdrucks r(24) -[r(1) + R(2)} auf die Kompensationsspannung VO vorherrschend und folglich wird die Kompensationsspannung Vo stark verringert. Eine Temperatur, die einen Extremwert auf der Hochtemperaturseite der Kompensationsspannung Vo hinsichtlich der Temperatur in Figur 6 darstellt, kann entsprechend dem Widerstandswert r(24) des Widerstandes 24 in Figur 5 verändert werden.

Bei dem herkömmlichen Temperaturkompensations-Schaltkreis der Figur 3 ist der Widerstandswert r(24) des Widerstandes 24 der Figur 5 gleich 0 gesetzt; die Temperatur, die den Extremwert darstellt, wird somit zu einer niedrigeren Temperatur verschoben, wenn der Widerstandswert r(24) anwächst.

Figur 7 zeigt eine Temperatur-Charakteristik-Kurve, bei der der Wert r(24) des Widerstandes 24 durch Multiplikation eines spezifischen Widerstandswertes r(24) Ro (^0) mit einem Koeffizienten als Parameter erhalten wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die entsprechenden temperaturempfindlichen Elemente 22, 23 und 25 des Temperaturkompensations-Schaltkreises der Figur 5 jeweils aus einem Widerstand und einem Thermistor bestehen, wie in Figur 4 dargestellt ist. Hieraus ist zu ersehen, daß bei der Schaltungsanordnung entsprechend dem herkömmlichen Temperaturkompensations-Schaltkreis der Figur 3, d.h. dem Fall, bei dem r{24) =0, kein Extremwert bei hohen Temperaturen erreicht wird, selbst bei einer Temperatur von 90 Grad C. Mit einer Vergrößerung des Widerstandswertes r(24) auf 0,20 Ro,0,5O Ro, 0,90 Ro... wird die den Extremwert repräsentierende Temperatur auf 77°C, 65°C, 60⁰C — verringert.

Die richtige Wahl des Widerstandswertes r(24) erlaubt ein Verschieben des Extremwertes von einer hohen zu einer

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niedrigen Temperatur der charakteristischen Kurve. Im Ergebnis kann die Spannungscharakteristik des Temperaturkompensations-Schaltkreises für die Temperatur einen kubischen Kurvenverlauf über den gewünschten Temperaturbereich einnehmen.

Die richtige Wahl des Betrages der Änderung des Widerstandswertes hinsichtlich der Temperaturänderung des temperaturempfindlichen Elementes erlaubt eine Variation hinsichtlich Δ Vo/,/\ t über den hohen Temperaturbereich. Folglich wird eine große Dimensionierungsfreiheit geschaffen, die erlaubt, die Temperatur/Spannungs- Charakteristik über einen großen Bereich zu legen.

- Leerseiie

Claims

PATENTANSPRÜCHE ;

1.j Temperaturkompensierter Oszillator, bei demeine Kompensationsspannung an eine variable Kapazitätsdiode angelegt wird, die in Reihe mit einem Quarzresonator verbunden ist, um Änderungen der Schwingfrequenz zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, da8 der temperaturkompensierte Oszillator Energieversorgungsanschlüsse (20,21) aufweist, die zum Empfang einer Gleichspannung verschaltet sind; dafi erste und zweite temperaturempfindliche Elemente (22,23) vorgesehen sind, die In Reihe zwischen den

beiden Energieversorgungsanschlüssen verschaltet sind; daß eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (24) und einem dritten temperaturempfindlichen Element (25) vorgesehen ist, die parallel zu dem zweiten temperaturempfindlichen Element geschaltet ist; daß die variable Kapazitätsdiode (29) in Reihe mit einem Quarzresonator (30) verbunden ist, so daß eine Spannung an dem dritten temperaturempfindlichen Element dort als Kompensationsspannung anlegbar ist; und daß der Schwingkreis aus dem Quarzresonator und der variablen Kapazitätsdiode besteht.

2. Temperaturkompensierter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzresonator (30) eine kubische Frequenz/Temperatur- Charakteristik hat;

daß das erste temperaturempfindliche Element (22) eine Steuerung der Temperaturkompensation über einen mittleren Temperaturbereich zwischen angrenzenden Extremwerten der kubischen Charakteristik durchführt; daß das zweite temperaturempfindliche Element (23) eine Steuerung der Temperaturkompensation über einen Temperaturbereich durchführt, der niedriger ist als einer der Extremwerte auf der Niedertemperaturseite; und

daß das dritte temperaturempfindliche Element (25) eine Kompensationssteuerung über einen Temperaturbereich durchführt, der über dem Extremwert auf der Hochtemperaturseite liegt.

3. Temperaturkompensierter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, zweite und dritte Temperaturkompensationselement (22, 23, 25) jeweils einen Thermistor und einen Widerstand enthält.

4. Temperaturkompensierter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste temperaturempfindliche Element (22) eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (15) und einer Parallelschaltung aus einem Thermistor (14) und einem Widerstand (13) enthält;

daß das zweite temperaturempfindliche Element (23) eine Reihenschaltung aus einem Thermistor (17) und einem Widerstand (16) enthält; und daß das dritte temperaturempfindliche Element (25) eine Parallelschaltung aus einem Thermistor (19) und einem Widerstand (18) enthält.

5. Temperaturkompensierter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur eines von benachbarten Extremwerten, der auf der Hochtemperaturseite liegt, entsprechend dem Wert eines Widerstandes zwischen den zweiten und dritten temperatürempfindlichen Elementen festgesetzt ist. 20